Pourquoi une architecture centralisée-distribuée est la seule solution RAN viable à long terme
Où sommes-nous actuellement?
Les déploiements 5G initiaux sont appelés « 5G non autonome (NSA) » et sont basés sur une double connectivité. C’est ici que l’appareil se connecte d’abord à une station de base LTE « maître » 4G, puis, sous la direction du maître, établit la connectivité 5G.
Ces premiers déploiements 5G utilisent le spectre dans la gamme de fréquences 1 de la 5G. En Europe, cela se situera probablement dans la bande 3,4-3,8 GHz (mais pas exclusivement). En termes de couverture, les cellules 5G qui peuvent être supportées à ces fréquences au sein des villes permettent de colocaliser les stations de base 5G « secondaires » avec la 4G « maître ». Ces stations de base sont toujours bien situées dans des emplacements sécurisés et équipées d'une bonne connectivité de liaison, principalement sous la forme de liaisons fibre optique. En effet, la 5G est utilisée pour ajouter de la capacité au site 4G existant, tout en apportant une efficacité supplémentaire en termes de techniques d'antennes plus avancées.
Que se passe-t-il ensuite ?
À mesure que davantage de spectre 5G sera libéré, les opérateurs commenceront à avoir accès aux fréquences d’ondes millimétriques. Celles-ci sont beaucoup plus élevées (fixées entre 24,25 GHz et 27,5 GHz en Europe) que les fréquences cellulaires traditionnelles. Les caractéristiques du canal radio à ondes millimétriques sont très différentes, avec une atténuation (perte de signal) beaucoup plus importante avec la distance et une diminution des effets de diffraction, ce qui signifie que les « zones d'ombre du signal » derrière les bâtiments ne sont pas remplies aussi bien qu'elles le sont aux fréquences les plus basses. Tout cela signifie que la couverture des cellules à ondes millimétriques 5G est pratiquement limitée à environ 200 m, et en grande partie en visibilité directe.
Cependant, à ces fréquences plus élevées, il existe beaucoup de spectre supplémentaire disponible (et donc de capacité). De plus, l'atténuation élevée en fonction de la distance signifie que les cellules peuvent être déployées de manière isolée (uniquement ou en petits groupes), réduisant ainsi considérablement les interférences globales du réseau. Par conséquent, le spectre considérablement augmenté peut également être réutilisé à des distances minimales considérablement réduites par rapport au spectre cellulaire traditionnel. Enfin, des antennes de plus petite taille signifient que des réseaux d’antennes, plutôt que des antennes uniques, seront utilisés. Cela ouvre un tout nouveau monde de techniques d’antennes hautement efficaces, notamment la formation de faisceaux avancée. Par conséquent, dans l’ensemble, l’opinion actuelle de l’industrie est que la 5G à petites cellules (ondes millimétriques) vaut vraiment l’investissement.
Comment maximiser les investissements ?
Un certain nombre de considérations détermineront la manière dont la 5G sera déployée une fois que le spectre des ondes millimétriques sera disponible. Tous ont un impact sur le ROI et, pour l’essentiel, nous orientent vers une architecture RAN 5G Centralisée-Distribuée :
Master-secondaire
Les cellules à ondes millimétriques plus petites doivent fonctionner dans un arrangement maître-secondaire avec la cellule LTE plus grande – ou avec des cellules 5G à plus basse fréquence dans le mode de déploiement 5G « autonome ». Cela permettra de combiner une bonne couverture et une connectivité fiable fournies par le Master, et une capacité supplémentaire disponible via les petites cellules secondaires Millimeter Wave. Un certain nombre de secondaires peuvent être idéalement situés pour fonctionner avec un maître afin de fournir une double connectivité pour différents appareils dans la zone de couverture globale de la cellule maître. La connectivité des appareils sera commutée entre maître et secondaire (et inversement) à mesure que la force du signal radio varie. Statistiquement, si suffisamment d'appareils utilisent les secondaires, la capacité globale sera suffisante, même si certains appareils utilisent temporairement la capacité du maître.
Retour
Les sites LTE existants sont généralement bien équipés en termes de connectivité de liaison – généralement sous forme de fibre. Si un site secondaire peut s'auto-relier au maître, les données peuvent être agrégées via la connexion fibre existante vers le réseau central. Avec autant de spectre disponible aux fréquences d'ondes millimétriques, il devrait être relativement simple d'en utiliser une partie pour former une liaison hyperfréquence (ou pour former un faisceau) du secondaire au maître afin de fournir la connexion d'auto-retour. Bien sûr, une ligne de site serait nécessaire, mais en général, il s'agit d'une option beaucoup moins coûteuse que le câblage vers chaque secondaire.
Transport frontal
La liaison entre la station de base elle-même et la ou les antennes peut prendre plusieurs formes. Cependant, la connexion finale se fait traditionnellement sous la forme de représentations numériques de l'onde analogique réelle qui doit être appliquée à chaque antenne. Avec la 5G, l’augmentation massive du nombre d’antennes signifie que la quantité d’informations numériques n’est tout simplement pas réalisable sur n’importe quelle distance (même sur fibre optique). La solution évidente est que l'étape finale du traitement (la couche la plus basse de la pile de protocoles) se situera probablement dans l'antenne elle-même.
Cela signifie essentiellement que pour les stations de base à ondes millimétriques (à petites cellules), la fonctionnalité de la station de base sera inévitablement séparée. La forme que prend la séparation des fonctions et où se trouve le reste des fonctionnalités reste sujette à caution. Doit-il s'agir du site à petites cellules (agissant comme une unité distribuée – DU), du site maître (agissant désormais comme une unité centralisée – CU), ou d'un mélange – avec des couches supérieures sur le site maître centralisé et des couches inférieures sur le site distribué (avec la sous-couche la plus basse dans l'unité d'antenne) ?
Facilité de déploiement
Si nous choisissons de déployer la plupart des fonctionnalités sur un site centralisé (éventuellement le site de la station de base principale ou un site RAN centralisé), cela signifie que des petites cellules supplémentaires peuvent alors être déployées de manière rentable sous forme de petites unités matérielles. La capacité devrait être suffisante, mais tout déploiement de cellules supplémentaires nécessiterait des mises à niveau minimes de la CU. Le déploiement pourrait être encore simplifié si des techniques robustes d'auto-optimisation ou d'auto-organisation sont utilisées dans le cadre du processus de déploiement de petites cellules.
Sécurité
La sécurité est une préoccupation croissante pour tout opérateur, et la 5G a apporté des améliorations significatives dans ce domaine par rapport à la 4G. Cependant, le cryptage et la protection de l'intégrité de l'interface radio 5G (les deux principaux mécanismes de sécurité de l'interface radio) fonctionnent entre l'appareil et la station de base. La fonctionnalité de sécurité réelle fait partie de l'un des protocoles situés plus haut dans la pile de protocoles. Par conséquent, il est logique de localiser cette partie des fonctionnalités de la station de base dans un emplacement plus sécurisé – dans ce cas, une unité centralisée plutôt que l’unité distribuée.
Il existe d'autres mécanismes de sécurité en place pour protéger la connexion entre l'unité centralisée et l'unité distribuée, mais néanmoins, la sécurité est mieux assurée en termes de fiabilité en localisant la fonction de cryptage elle-même dans un emplacement plus sécurisé.
MAEC
Pour réduire la latence afin de prendre en charge un large éventail de nouveaux cas d'utilisation et de services, l'emplacement des ressources informatiques à la périphérie du réseau est absolument indispensable. Cela peut se faire sur un site RAN approprié ou au niveau de la station de base pour un support de service à latence particulièrement faible. Cela soulève potentiellement toutes sortes de problèmes, les deux principaux étant la sécurité et le positionnement physique du matériel de traitement lui-même.
L’équilibre consiste à accéder à un support à faible latence tout en réduisant les risques et en maintenant la facilité de déploiement. Là encore, une architecture centralisée-distribuée semble être une solution probable, dans laquelle les ressources informatiques sont situées dans une CU relativement sécurisée et bien équipée.
Fonctionnement sans cellules
Enfin, et un peu plus loin dans le temps, la 5G introduit potentiellement une toute nouvelle façon de penser la couverture radio – une façon qui pourrait considérablement améliorer l’efficacité et la fiabilité de la connexion. Basé sur une couverture acellulaire et utilisant largement des faisceaux, il nécessite un positionnement spécifique des unités radio pour fonctionner de manière optimale – idéalement, un positionnement très régulier selon des schémas spécifiques. Les petites unités seraient beaucoup plus faciles à positionner que les grandes unités. Cela pointe encore une fois vers une architecture distribuée, où le DU reste petit et léger.
RÉSUMÉ
Tout cela pointe vers une architecture RAN 5G centralisée et distribuée
Bien que ces considérations (ci-dessus) ne soient pas nouvelles, les documents de spécification 3GPP 5G incluent de nouvelles interfaces standardisées qui permettent au gNodeB (le nom technique de la station de base 5G) d'être déployé de manière très flexible. Il peut s'agir d'une station de base entièrement intégrée ou séparée en différentes fonctions, comme indiqué dans ce blog. À première vue, il semble que nous ayons plusieurs options. En réalité, la manière dont la 5G est déployée – le spectre que nous utilisons, les cas d’utilisation que nous prenons en charge, les préoccupations concernant la sécurité et la facilité de déploiement, entre autres – dicteront toutes l’architecture réelle. Pour les raisons exposées dans ce blog, cela semble clairement s'orienter vers une architecture centralisée-distribuée pour la station de base et le RAN à moyen et long terme.
Author: Paul Waite
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